摩擦壓力機是現(xiàn)代工業(yè)最早出現(xiàn)的螺旋壓力機，它雖然控制水平低，打擊能量無法準(zhǔn)確控制，但具有結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，技術(shù)成熟的優(yōu)點，在我國應(yīng)用十分廣泛，而且仍具有很大的市場。傳統(tǒng)的摩擦壓力機控制方案一般是采用5個行程開關(guān)控制壓力機打擊過程中的上止點、下止點、安全打擊脫盤點、回程加速提升脫盤點和回程剎車制動點；目前采用較多的是利用時間繼電器定時控制打擊靠盤時間的方案。這些方案對打擊能量的控制都只是定性的，無法準(zhǔn)確計算和控制運動部分能量。也有基于工業(yè)計算機的復(fù)合式摩擦壓力機控制系統(tǒng)，但不具有通用性。

　　為了提高這類螺旋壓力機的控制水平和自動化程度，實現(xiàn)打擊能量可準(zhǔn)確控制，并滿足日趨復(fù)雜的工藝需要，本研究以JB53—630型摩擦壓力機為例，開發(fā)了以西門子S77-200 PLC為核心、以觸摸屏為人機界面的控制系統(tǒng)，將控制、監(jiān)視和管理功能集成起來，通過人機界面設(shè)定打擊行程和打擊能量，可以實現(xiàn)一打、手動二打、手動三打、自動二打、自動三打等工藝需求，并且兼容了傳統(tǒng)的腳控打擊功能。

1 工作原理

　　摩擦壓力機主機主要由以下幾部分組成：機身、滑塊、主螺桿、主螺母、飛輪、制動器、摩擦盤和操縱缸等。其工作原理如下：主螺桿的上端與飛輪固接，下端與滑塊相連，由主螺母將飛輪與主螺桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的上、下直線運動。電動機經(jīng)皮帶輪帶動摩擦盤轉(zhuǎn)動。當(dāng)向下行程開始時，橫軸右端的操縱氣缸進(jìn)氣，推動摩擦盤壓緊飛輪，搓動飛輪旋轉(zhuǎn)，滑塊下行，此時飛輪加速并獲得動能。在沖擊工件前的瞬間，摩擦盤與飛輪脫離接觸，滑塊以此時所具有的速度鍛壓工件，釋放能量直至停止。鍛壓完成后，開始回程，此時，橫軸左端的摩擦盤壓緊飛輪，搓動飛輪反向旋轉(zhuǎn)，滑塊迅速提升；至某一位置后，摩擦盤與飛輪脫離接觸；滑塊繼續(xù)自由向上滑動，至制動行程處，制動器動作，滑塊減速，直至停止，即完成一次工作循環(huán)。

2 硬件結(jié)構(gòu)

　　控制系統(tǒng)硬件選型的原則是確保設(shè)備的穩(wěn)定、可靠和長壽命運行。確保執(zhí)行機構(gòu)具有快速的響應(yīng)，并且具有友好的人機交互界面。因此本文以西門子S7200可編程控制器為核心，以西門子KTP178觸摸屏為人機界面，再加上外圍的傳感器檢測、執(zhí)行機構(gòu)、信號輸入輸出等組成一個典型的通用數(shù)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　要提高摩擦壓力機的控制水平和控制精度，最重要的是實現(xiàn)運動部分的能量檢測。運動部分的能量主要來自于飛輪等轉(zhuǎn)動部分的旋轉(zhuǎn)運動動能。飛輪的動能又取決于飛輪的慣量和轉(zhuǎn)速，慣量在設(shè)計時即已確定，而轉(zhuǎn)速則可以通過單位時間內(nèi)滑塊的位移求出。因此，滑塊位移檢測是控制系統(tǒng)實現(xiàn)打擊能量控制的最為關(guān)鍵的參數(shù)。

　　這里滑塊位移檢測由滑塊通過皮帶輪帶動旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，即將滑塊的直線運動通過皮帶輪同步裝置轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)編碼器的旋轉(zhuǎn)運動，編碼器輸出的脈沖再由S7200的高速計數(shù)口讀出。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，得到滑塊的位移，通過單位時間內(nèi)滑塊的位移即可得到飛輪的轉(zhuǎn)速，也就可計算出運動部分的準(zhǔn)確能量。

　　執(zhí)行機構(gòu)主要指打擊氣閥、提升氣閥、制動氣閥和頂料氣閥等，它們頻繁動作并直接決定了摩擦壓力機的控制精度。這里采用固態(tài)繼電器替代傳統(tǒng)的中間繼電器控制的方案，可以極大地提高執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)速度，并且因為固態(tài)繼電器為無觸點開關(guān)，電氣壽命也可以獲得極大的提高。

　　系統(tǒng)中采用5個接近傳感器作為行程控制開關(guān)，當(dāng)工作方式選擇為腳控打擊模式時，操作方式與傳統(tǒng)摩擦壓力機控制系統(tǒng)的腳控打擊模式一致，這樣提高了控制系統(tǒng)的冗余性。

　　觸摸屏已成為可編程邏輯控制器(PLC)的最佳人機對話工具，系統(tǒng)中人機界面通過組態(tài)觸摸屏實現(xiàn)，輔以外圍豐富的按鈕輸入控制、信號指示燈輸出和故障信號檢測，使得控制系統(tǒng)具有直觀、友好的人機交互能力，使用方便，維護(hù)簡單。

3 軟件結(jié)構(gòu)

　　控制系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計。為保證系統(tǒng)的實時性，并兼顧PLC的運算能力，設(shè)置一個合適的定時周期程序負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)輸入信號和滑塊位移編碼器信號，觸發(fā)實時參數(shù)的計算，并根據(jù)實時參數(shù)和控制指令判斷系統(tǒng)狀態(tài)，觸發(fā)執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；另外，實時的信號處理、故障檢測和事件信息處理循環(huán)掃描執(zhí)行，使系統(tǒng)能及時收發(fā)指令，可靠保護(hù)設(shè)備。

　　3.1 能量控制原理

　　螺旋壓力機能量的大小是由飛輪等運動部件在接觸工件前所具有的最大能量而定，此能量可表示為：ET=Jw2/2+mv2

　　式中：Et為運動部分具有的能量；J為飛輪等轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量和；w為飛輪角速度；m為滑塊等運動部分質(zhì)量；v為滑塊速度。式中右邊第一項為旋轉(zhuǎn)運動動能，第二項為直線運動動能。由于螺旋壓力機滑塊速度較低，多為0.6～0.7 m／s左右，因此直線運動動能數(shù)值很小，一般只占總能量的1％～3％。實際中，常將直線運動部分動能忽略。

　　在螺旋機構(gòu)中，轉(zhuǎn)動角速度與滑塊速度ｖ的關(guān)系為=2(v／h)，式中h為螺桿導(dǎo)程。因此，要控制打擊能量可通過控制滑塊運動速度實現(xiàn)。

　　3.2 能量控制算法

　　滑塊運動時帶動同步帶運動，與同步帶配合的皮帶輪通過聯(lián)軸節(jié)帶動旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，從而將滑塊的直線運動轉(zhuǎn)換為編碼器的旋轉(zhuǎn)運動，即將要測量的非電量信號(滑塊位移)轉(zhuǎn)換成電信號(編碼器脈沖)。將脈沖信號輸入PLC的高速計數(shù)口，每個定時中斷周期讀取一次編碼器脈沖讀數(shù)，即可得到滑塊的實時位移和實時速度。

　　單位脈沖對應(yīng)的位移量S=D／P，式中：D為同步輪節(jié)圓直徑；P為編碼器分辨率。

　　每次系統(tǒng)上電或更換模具后，執(zhí)行一次合模對零操作，將系統(tǒng)的零點設(shè)置為上、下模合模處，滑塊位移S=nSp，式中n為編碼器脈沖讀數(shù)。同理，滑塊速度u=△s／T，式中：舢為該周期滑塊位移變化量；T為定時周期長度。

　　最后，由滑塊速度可得到飛輪的轉(zhuǎn)速，在知道飛輪慣量的情況下，即可計算出此時運動部分具有的能量。當(dāng)該能量達(dá)到預(yù)選能造時，打擊氣缸釋放，打擊盤脫開，滑塊慣性下滑打擊工件。

　　實際中。為了精簡程序，減少CPU的計算量，在通過人機界面設(shè)定好預(yù)選能量后，軟件即根據(jù)設(shè)定的打擊能量計算出該能量對應(yīng)的滑塊目標(biāo)速度，再得到該速度對應(yīng)的一個定時周期的脈沖讀數(shù)差值。這樣，打擊下行過程中，每周期測得的脈沖讀數(shù)差值直接與此目標(biāo)差值比較，當(dāng)實際值大于目標(biāo)值時，即代表運動部分已達(dá)到了設(shè)定的預(yù)選能量，迅速發(fā)出打擊盤脫開指令。

　　3.3 打擊動作流程

　　在一個打擊動作流程中，執(zhí)行機構(gòu)的動作如下：得到打擊命令后，剎車釋放，打擊盤靠緊，搓動飛輪旋轉(zhuǎn)，滑塊下行；此時飛輪加速，當(dāng)檢測到滑塊達(dá)到預(yù)選能量對應(yīng)的目標(biāo)速度時，打擊盤脫開，滑塊慣性向下，以此時所具有的速度鍛壓工件，釋放能量直至停止；鍛壓完成后，開始回程，提升盤壓緊飛輪，搓動飛輪反向旋轉(zhuǎn)，滑塊迅速提升；至某一位置后，提升盤脫開；滑塊繼續(xù)慣性向上滑動，至制動行程處，剎車，滑塊減速。直至停止，動作完畢。該過程的滑塊行程一時間曲線示意圖如圖2所示。

　　軟件中，除了打擊行程和打擊能量可設(shè)定外，下行過程中的打擊安全脫盤距離和回程過程中的提升加速距離、提前剎車距離等均可設(shè)定，分別用于保證設(shè)備安全和回程位置準(zhǔn)確．打擊下行流程圖如圖3所示．打擊回程流程圖如圖4所示。

　　3.4 人機界面

　　人機界面用于設(shè)定系統(tǒng)、運行參數(shù)和顯示實時參數(shù)。界面包括主顯信息畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、故障信息畫面和設(shè)備信息畫面；另外，用戶管理通過口令賦予操作者不同的權(quán)限，較低的權(quán)限無法修改高級參數(shù)，這樣可以保證參數(shù)安全。

　　主顯信息畫面顯示的內(nèi)容包括當(dāng)前打擊模式、設(shè)定打擊行程、預(yù)選打擊能量、實時滑塊位移、實際打擊能量、累計打擊次數(shù)以及系統(tǒng)提示信息等。參數(shù)設(shè)置畫面可設(shè)置基本參數(shù)和高級參數(shù)?；緟?shù)包括設(shè)置打擊行程、打擊能量、打擊下行安全脫盤距離、回程提升脫盤距離比例、回程提前剎車距離、潤滑間歇工作時間和自動頂料延時等；高級參數(shù)包括提升電機和打擊電機星三角啟動時間、飛輪慣量、主螺桿導(dǎo)程和編碼器分辨率等。故障信息畫面可提示用戶設(shè)備故障信息和可能原因等，如滑塊超程報警、潤滑缺油報警；若安裝了噸位指示器，則還可顯示設(shè)備超載報警。設(shè)備信息畫面顯示的內(nèi)容有設(shè)備額定壓力、標(biāo)稱能量、最大最小打擊行程、最小裝模高度等。

　　本研究以JB53630型摩擦壓力機為例，開發(fā)了基于S7200的可能量預(yù)選的摩擦壓力機數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于JB53630型和JB53160型雙摩盤螺旋壓力機系統(tǒng)，實踐證明，該系統(tǒng)可以通過觸摸屏設(shè)定打擊行程和預(yù)選打擊能量，可以實現(xiàn)一打、手動二打、手動三打、自動二打、自動三打等工藝需求，并且兼容了傳統(tǒng)的腳控打擊功能，以較低的成本顯著提高了摩擦壓力機的控制水平和自動化程度，工藝適應(yīng)面更廣。另外，由于打擊能量可控，通過預(yù)選合適的能量對鍛件進(jìn)行打擊，可有效降低模具承受的多余能量，從而提高模具壽命。該系統(tǒng)可以很方便地配合自動上、下料機構(gòu)、自動噴石墨機構(gòu)等外設(shè)構(gòu)成壓力機自動化生產(chǎn)線，大大減少工人的勞動重復(fù)性和勞動強度，提高產(chǎn)品一致性。